CN108376898B - 一种在室温地磁场下工作的微波激射器的调q装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于微波激射器技术领域，公开了一种在室温地磁场下工作的微波激射器的调Q装置及方法，开启控制板、音圈电机和激光器，通过控制板驱动电路驱动电机，设定音圈电机来回运动频率和范围，设置限位开关防止谐振频率调谐盘运动时撞击到谐振腔，光栅尺传感器QH‑200会输出特定波形的信号给控制板，设置初始位置，控制板会输出信号给激光器，通过示波器观察从耦合环处输出微波的功率峰值；调试完成后，改变初始的位置的设置，观察第i次工作的情况并记录输出微波的功率峰值，通过不断缩小范围来确定调Q位置；标定最终的位置，完成微波激射器的调Q。本发明可以有效的解决室温地磁场下工作的微波激射器中存在的输出功率和效率较低的问题。

Description

一种在室温地磁场下工作的微波激射器的调Q装置及方法

技术领域

本发明属于微波激射器技术领域，尤其涉及一种在室温地磁场下工作的微波激射器的调Q装置及方法。

背景技术

目前，业内常用的现有技术是这样的：微波激射器是利用辐射场的受激辐射原理制成的放大装置的一种，它是一种以增益材料为基础，借助于激光或者其他的泵浦能量，通过上能级受激辐射进而产生噪声极低的单色相干微波辐射的技术。该技术在原子钟和天文研究等方面都有着较为广泛的应用。微波激射器的核心装置是增益介质材料、微波谐振腔和泵浦能量，工作时泵浦能量将增益介质的粒子泵浦到上能级，其产生的电磁波频率和微波谐振腔的谐振频率刚好相同，进而可以形成微波振荡。目前增益材料采用的是掺杂并五苯的对三联苯晶体，被泵浦时上下能级的粒子反转数超过阈值条件时，就会产生微波振荡，输出微波。随着微波的输出，上能级被大量消耗，这时，由于泵浦的作用，上能级粒子数超过阈值，产生脉冲，不断重复上述过程。因为每一个脉冲都是在阈值附近产生的，因此会产生输出微波脉冲的峰值功率较低的问题，即使增大泵浦能量，也无法提高峰值功率，进而影响着其进一步的应用。

综上所述，现有技术存在的问题是：由于材料上述特性导致了现有室温地磁场下工作的微波激射器输出功率和效率较低。

解决上述技术问题的难度和意义：针对增益材料中粒子反转数达到阈值条件后立马激射的问题，需要提出一种创新的方法并设计一种结构，来改变其阈值条件来解决。目前因为微波激射器输出的功率仍比较小，对它的研究主要都是利用极低的噪声和单一的工作频率，现在如果能够给出一种新的方法或者装置在现有的微波激射器的基础上提高其输出功率，那么其在远距离微波无线能量传输方面将有很大的应用潜能。

发明内容

针对现有技术存在的问题与不足，本发明提供了一种在室温地磁场下工作的微波激射器的调Q装置及调Q方法，利用在微波激射器的谐振腔中增加调谐盘，并通过电机来控制调谐盘上下运动的方法来间接的控制谐振腔的谐振频率，进而控制谐振腔的损耗，最后完成微波激射器的调Q，本发明借助调谐盘可以有效的压缩输出微波脉冲的宽度，增大其输出功率。

本发明是这样实现的，一种在室温地磁场下工作的微波激射器的调Q装置，所述在室温地磁场下工作的微波激射器的调Q装置：

夹具支架；

所述夹具支架通过安装孔安装于设备基座Z轴上；所述设备Z轴通过设备容置孔上的紧定螺栓安装固定音圈电机；

光栅尺传感器QH-200固定于音圈电机上，且保证可以有效的检测音圈电机所处的位置，并将信号传给控制板；

控制板，用于处理光栅尺传感器QH-200采集到的位置信号，安装于夹具支架1上分别于光栅尺传感器QH-200和激光器相连接；

所述激光器放置于平台上，并保证出射光线恰好全部穿过直径为dmm的通孔，且所述激光器为工作波长为λnm的染料激光器。

进一步，所述夹具支架上开设有第一容置孔；所述第一容置孔用于安装音圈电机。

进一步，所述谐振频率调谐盘与音圈电机相连接，所述谐振频率调谐盘的轴线垂直于工作台，且上下运动时和微波谐振腔的通孔没有摩擦。

本发明的另一目的在于提供一种所述在室温地磁场下工作的微波激射器的调Q装置的在室温地磁场下工作的微波激射器的调Q方法，所述在室温地磁场下工作的微波激射器的调Q方法包括：开启控制板、音圈电机和激光器电源，为了满足音圈电机的双向运动需要，驱动电源的功率变化器采用的是H型双极性可逆PWM波的形式来控制电机的位置，设置限位开关防止谐振频率调谐盘运动时撞击到谐振腔，当音圈电机运动时，光栅尺传感器QH-200会输出方波的信号给DSP芯片TMS320F28335，设定初始位置后，该芯片会根据光栅尺传感器QH-200的方波信号来输出特定信号给激光器驱动电路，驱动电路通过PWM波来控制激光器的开关和激光束的功率等，最后通过示波器观察从耦合环处输出微波的功率峰值；控制板工作时，首先根据音圈电机的位置前馈跟踪控制方式对电机的位置信号进行检测，然后通过位置的计算，输出给定的电流信号，并实时的检测系统的运行状况。控制板控制系统的软件主要包含主程序、初始化程序、前馈控制和反馈控制算法程序、定时中断服务程序和上位机控制界面程序等来组成。调试完成后，改变初始的位置的设定，观察第i次工作的情况并记录输出微波的功率峰值，通过不断缩小范围来确定调Q位置；标定最终的位置，完成微波激射器的调Q。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述在室温地磁场下工作的微波激射器的调Q装置的微波激射器。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明可以有效的解决室温地磁场下工作的微波激射器中存在的输出功率和效率较低的问题。本发明结构简单、结构精巧、使用效果好、使用寿命长的用于室温地磁场下工作的微波激射器的调Q装置。本发明的优点及技术效果为：可以有效地解决室温地磁场下工作的微波激射器中存在的输出功率和效率较低的问题。通过使用精密的光栅尺传感器QH-200(最高分辨率为0.1μm)，提高了调谐盘位置的误差精度，可以更精确的控制微波谐振腔中的损耗，和现有的微波激射器输出功率对比结果如表1所示：

表1

附图说明

图1是本发明实施例提供的在室温地磁场下工作的微波激射器的调Q装置结构示意图；

图中：1、夹具支架；2、控制板；3、激光器；4、光栅尺传感器QH-200；5、音圈电机；6、微波谐振腔；7、谐振频率调谐盘；8、增益材料；9、激光光线通孔；10、增益介质支座；11、耦合环通孔；12、设备基座。

图2是本发明实施例提供的在室温地磁场下工作的微波激射器的调Q方法流程图。

图3是本发明实施例提供的室温地磁场下工作的微波激射器的调Q装置的控制系统结构示意图。

图中：1、控制电路；2、功率驱动及隔离电路；3、激光器驱动电路；4、位置信号处理电路。

图4是本发明实施例提供的微波激射器输出峰值功率随着调Q二阶段Q值变化的仿真曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明利用微波谐振腔中的调谐盘来改变谐振腔的谐振频率，进而改变谐振腔的损耗即Q值，再利用特定时刻的Q值改变来使得上能级积累足够多的粒子数，最后产生频率单一的微波脉冲，这种方法能有效的改善输出功率较小的问题，提高了输出的效率。

如图1所示，本发明实施例提供的在室温地磁场下工作的微波激射器的调Q装置包括：夹具支架1、控制板2、激光器3、光栅尺传感器QH-2004、音圈电机5、微波谐振腔6、谐振频率调谐盘7、增益材料8、激光光线通孔9、增益介质支座10、耦合环通孔11、设备基座12。

夹具支架1上开设有容置孔，安装时需要保证上表面和设备基座12表面的平行度，且容置孔和谐振腔6上通孔轴线重合，容置孔用于安装音圈电机5，调节好后通过螺栓将其固定在支架上，音圈电机5和容置孔的配合为紧配合；夹具支架1安装于设备基座1上表面；谐振腔调谐盘7与音圈电机5的轴相连接，可以随轴上下运动，安装时需要保证两者的轴线尽量重合；光栅尺传感器QH-2004最高分辨率为0.1μm，分辨率较高，测量精度比感应同步器高，适应于动态测量，输出波形为正弦波，和音圈电机5一起固定在夹具支架1上，分别和音圈电机5及控制板2相连接；所述控制板2用于控制音圈电机5的运动并处理光栅尺传感器QH-2004输出的正弦波，并和激光器3相连接来控制激光器3的开关时刻，其固定于夹具支架1上分别于光栅尺传感器QH-2004和上位机软件连接；激光器3放置于设备基座12上表面，保证激射出的光线可以全部通过直径为dmm的激光光线通孔9，且所述激光器3为波长λnm的染料激光器。应用于微波激射器技术领域时，只需调Q装置安装好以后，开启控制板设备2、音圈电机5和激光器3，通过控制板控制和音圈电机连接的调谐盘的运动同时控制激光器的开关，查看耦合环输出微波的情况；调试完成后，改变初始的位置的设置，观察第i次工作的情况并记录输出微波的功率峰值，通过不断缩小初始位置的范围来确定最佳的调Q位置；标定最终的位置，完成微波激射器的调Q。

如图2所示，本发明实施例提供的在室温地磁场下工作的微波激射器的调Q方法包括以下步骤：

S101：开启控制板、音圈电机和激光器，通过控制板驱动电路驱动电机，并设定音圈电机来回运动频率和范围，设置限位开关防止谐振频率调谐盘运动时撞击到谐振腔；

S102：当音圈电机运动的时候，光栅尺传感器QH-200会输出特定波形的信号给控制板，设置一个特定的初始位置，控制板会输出信号给激光器，激光器工作产生激光，通过示波器观察从耦合环处输出微波的功率峰值；

S103：调试完成后，改变初始的位置的设置，观察第i次工作的情况并记录输出微波的功率峰值，通过不断缩小范围来确定最佳的调Q位置；标定最终的位置，完成微波激射器的调Q。

如图3所示，本发明实施例提供的室温地磁场下工作的微波激射器的调Q装置的控制系统基于包括：控制电路1：以DSP芯片TMS320F28335为核心，主要完成位置闭环系统数据的处理、误差补偿和PID伺服控制环的参数调整。功率驱动及隔离电路2：将控制电路输出的PWM波进行功率放大，满足音圈电机的功率要求，隔离电路是将数字信号和模拟信号隔离开以减少噪声。激光器驱动电路3：将控制激光的PWM波进行功率放大，满足激光的功率要求。位置信号处理电路4：通过位置传感器采集音圈电机的位置信号，并将信号转化成方波输出给控制电路。

连接关系：上位机与控制芯片：JTAG用于程序调试，网口用于传输控制信号。位置信号处理电路与控制电路：输出6路差分信号，采用芯片对差分信号进行处理，产生两路正交编码脉冲信号和一路零位参考信号，经过隔离与DSP的正交编码脉冲电路(QEP)进行连接。其余硬件之间的连接通过排插。

下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。

本发明的微波激射器调Q装置用于室温地磁场下的微波激射器调Q时，包括夹具支架1、控制板2、音圈电机5、光栅尺传感器QH-2004以及谐振频率调谐盘7；夹具支架1通过底部安装孔固定在设备基座12上，保证夹具支架1上平面和基座12上表面的平行度；控制板2用于控制音圈电机5的运动并处理光栅尺传感器QH-2004输出的正弦波，并和激光器3相连接来控制激光器3的开关时刻，其固定于夹具支架1上分别于光栅尺传感器QH-2004和上位机软件连接，保证接线良好；音圈电机5用螺栓固定于夹具支架1上容置孔，安装过程中使用量具检测保证其轴线位置。光栅尺传感器QH-2004最高分辨率为0.1μm，分辨率较高，测量精度比感应同步器高，适应于动态测量，输出波形为正弦波，和音圈电机5一起固定在夹具支架1上，分别和音圈电机5及控制板2相连接；谐振频率调谐盘7和音圈电机5的轴连接在一起，安装时保证其可以在谐振腔通孔中自由上下运动。调Q装置安装好以后，开启控制板设备2、音圈电机5和激光器3，通过控制板控制和音圈电机连接的调谐盘的运动同时控制激光器的开关，查看耦合环输出微波的情况；

如图1安装完成以后，开启控制板设备2、音圈电机5和激光器3，开始调Q调试；在进行微波激射器调Q时，首先根据调谐盘在谐振腔的相对位置和音圈电机的位置设定音圈电机的限位开关，防止调谐盘撞击到谐振腔上表面或增益介质，然后通过pc端和控制板的通信接口将程序下载到控制板中，设定好音圈电机的频率，速度，上下行程等运动信息，首先设定初始位置为行程起始点a，然后开启整个设备此时激光器泵浦增益材料使得处于基态的粒子泵浦到了更高的能级，接着经由三线态分裂到低一些的能级并产生了上下能级粒子数差，最后受激辐射在腔中产生特定频率的微波振荡，经由耦合系数为k的耦合环输出到腔外，记录示波器上观察到的峰值功率Pi瓦；接下来重新设定初始位置为，然后重复上面的步骤，记录峰值功率Pi+1，通过不断的寻找最大P来缩小初始位置的范围，最后可以确定峰值功率P取得最大的时候，初始位置的值，这个值就对应着从开启激光器增益材料上能级粒子数最多的时候，谐振频率调谐盘刚好运动到腔的谐振频率和受激辐射的谐振频率相等，此时会产生雪崩式的受激辐射，在单个脉冲内消耗大量的反转粒子数完成调Q。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种在室温地磁场下工作的微波激射器的调Q装置，其特征在于，所述在室温地磁场下工作的微波激射器的调Q装置：

夹具支架；

所述夹具支架通过安装孔安装于设备基座Z轴上；所述设备Z轴通过设备容置孔上的紧定螺栓安装固定音圈电机；

光栅尺传感器QH-200固定于音圈电机上，且保证可以有效的检测音圈电机所处的位置，并将信号传给控制板；

控制板，用于处理光栅尺传感器QH-200采集到的位置信号，安装于夹具支架上分别于光栅尺传感器QH-200和激光器相连接；

所述激光器放置于平台上，并保证出射光线恰好全部穿过直径为dmm的通孔，且所述激光器为工作波长为λnm的染料激光器；

谐振频率调谐盘与音圈电机相连接，所述谐振频率调谐盘的轴线垂直于工作台，且上下运动时和微波谐振腔的通孔没有摩擦。

2.如权利要求1所述的在室温地磁场下工作的微波激射器的调Q装置，其特征在于，所述夹具支架上开设有第一容置孔；所述第一容置孔用于安装音圈电机。

3.如权利要求1所述的在室温地磁场下工作的微波激射器的调Q装置，其特征在于，所述在室温地磁场下工作的微波激射器的调Q装置进一步包括：

控制电路，完成位置闭环系统数据的处理、误差补偿和PID伺服控制环的参数调整；

功率驱动及隔离电路，将控制电路输出的PWM波进行功率放大；

激光器驱动电路，将控制激光的PWM波进行功率放大；

位置信号处理电路，通过位置传感器采集音圈电机的位置信号，并将信号转化成方波输出给控制电路。

4.一种如权利要求1所述在室温地磁场下工作的微波激射器的调Q装置的在室温地磁场下工作的微波激射器的调Q方法，其特征在于，所述在室温地磁场下工作的微波激射器的调Q方法包括：开启控制板、音圈电机和激光器，通过控制板驱动电路驱动电机，设定音圈电机来回运动频率和范围，设置限位开关防止谐振频率调谐盘运动时撞击到谐振腔，当音圈电机运动，光栅尺传感器QH-200会输出特定波形的信号给控制板，设置初始位置，控制板会输出信号给激光器，激光器工作产生激光，通过示波器观察从耦合环处输出微波的功率峰值；调试完成后，改变初始的位置的设置，观察第i次工作的情况并记录输出微波的功率峰值，通过不断缩小范围来确定调Q位置；标定最终的位置，完成微波激射器的调Q。

5.一种应用权利要求1～3任意一项所述在室温地磁场下工作的微波激射器的调Q装置的微波激射器。

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